Faculté des sciences

Molecular phylogeny and taxonomy of Testate amoebae (protist) and host-symbiont evolutionary relationships within mixotrophic taxa

Gomaa, Fatma ; Mitchell, Edward (Dir.) ; Lara, Enrique (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2012.

Les recherches en phylogénie moléculaire ont considérablement avancé notre compréhension des relations entre eucaryotes. Les classifications récentes placent les protistes amoeboides dans plus de 30 lignées au sein des Amoebozoa, Rhizaria, Stramenopiles, Opisthokonta, et Excavata. Parmi celles-ci, certaines branches ont développé des thèques ou coquilles, souvent ornementées et... Plus

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    Résumé
    Les recherches en phylogénie moléculaire ont considérablement avancé notre compréhension des relations entre eucaryotes. Les classifications récentes placent les protistes amoeboides dans plus de 30 lignées au sein des Amoebozoa, Rhizaria, Stramenopiles, Opisthokonta, et Excavata. Parmi celles-ci, certaines branches ont développé des thèques ou coquilles, souvent ornementées et caractéristiques qui ont été utilisées depuis plus de 150 ans comme caractère diagnostique pour décrire plus de 2000 espèces. Les thécamoebiens sont caractérisés par des pseudopodes lobés ou filamenteux et une thèque à une chambre pouvant être agglutinée, protéinique, calcaire ou siliceuse. L’acquisition de la thèque s’est faite plusieurs fois de manière indépendante au cours de l’évolution. De plus, et malgré la longue tradition de recherche en taxonomie sur les thécamoebiens, les relations entre les différents taxons demeurent largement non-résolue, l’affiliation phylogénétique de certains genres restant inconnue.
    Le but de cette thèse était de construire une phylogénie fiable du plus grand ordre d’amibes, les Arcellinida, en utilisant des séquences du gène SSU rRNA et des analyses par microscopie électronique (chapitres 2 et 5). Les résultats révèlent des contradictions drastiques avec la taxonomie traditionnelle. Le genre Difflugia, le plus grand genre des Arcellinida, n’est pas monophylétique et est divisé en deux clades bien distincts regroupant respectivement les espèces allongées/pyriformes et les espèces globulaires. Le genre Netzelia est phylogénétiquement proche des Difflugia globulaires malgré les différences de structures de leur thèque.
    Par ailleurs, les Arcellinida démontrent un conservatisme morphologique marqué; les types morphologiques similaires correspondant possiblement à des taxons génétiquement très distants. Nous démontrons la possibilité d’une évolution morphologique rapide an sein de ce groupe. Difflugia tuberspinifera, une espèce endémique d’Asie possède deux morpho-types (avec et sans cornes) possédant des séquences similaire du gène SSU rRNA gene (99.8%) et des introns et insertions identiques, mais pouvant toutefois être discriminés sur la base de leur séquences. Ceci suggère une évolution morphologique récente, possiblement liée à des facteurs écologiques à déterminer.
    Nous avons déterminé la position phylogénétique des deux genresincertae sedis bien connus de la famille des Amphitrematidae, Amphitrema et Archerella (chapitre 3), qui de manière surprenante sont apparentés Labyrinthulomycetes (Stramenopiles), formant ainsi un nouveau clade de thécamoebiens indépendants des autres (c.à.d. Amoebozoa & Rhizaria). Cette étude illustre également que la taxonomie et la phylogénie des protistes en général est d’une importance cruciale pour comprendre l’évolution de la diversité des eucaryotes.
    Les thécamoebiens forment souvent des associations avec les organismes photosynthétiques dont l’identité demeure toutefois inconnue. Nous avons identifié les symbiontes de quatre thécamoebiens différents sur la base du gène chloroplastique rbcL (ribulose-1, 5-diphosphate carboxylase/oxygénase grande sub-unité) utilisé comme gène de barcoding. La majorité des symbiontes de thécamoebiens ont pu être raisonnablement associés à une seule espèce, malgré le fait que leurs hôtes étaient taxonomiquement très distants. Fait intéressant, les Chlorelles symbiontes des thécamoebiens étaient très proches de Chlorella variabilis ainsi que des symbiontes de Paramecium bursaria. A la lumière de ces résultats, nous proposons un scénario d’évolution de l’association entre hôtes hétérotrophes et leur symbiontes photosynthétiques.
    De manière générale, ma thèse illustre qu’une phylogénie fiable des thécamobiens basée sur les approches morphologiques et moléculaires est non-seulement un prérequis essentiel pour comprendre leur évolution, mais contribuera aussi à résoudre des débats concernant leur diversité et leur biogéographie, et en augmentera en général leur utilisé comme groupe modèle d’organismes pour les recherches en écologie appliquée.
    Summary
    Molecular phylogenetic studies have considerably advanced our understanding of the relationships among eukaryotes. In recent classification schemes, amoeboid protists appeared scattered in more than 30 lineages within Amoebozoa, Rhizaria, Stramenopiles, Opisthokonta, and Excavata. Amongst these, some branches tended to develop a test or shell, often ornamented and conspicuous, which has been used for more than 150 years as a diagnostic character to describe more than 2000 species. Testate amoebae are characterized by lobose or filose pseudopodia and one chamber shell that can be agglutinated, proteinaceous, calcareous or siliceous. The acquisition of the shell happened several times independently in the course of evolution. Furthermore, and in spite of the long taxonomic tradition in testate amoebae research, the relationships between the different taxa remained largely unresolved, some genera remaining still without known phylogenetic affiliation.
    In this thesis, we aimed at constructing a reliable phylogeny of the largest testate amoebae order, the Arcellinida, using SSU rRNA gene sequences and scanning electron microscopy analyses (chapters 2 and 5). Our results revealed drastic contradictions with traditional taxonomy. Genus Difflugia, the largest Arcellinid genus appeared not monophyletic, and divided in two major and distantly related clades that grouped respectively the elongated/pyriform and the globular species. Genus Netzelia was phylogenetically very closely related to the globular Difflugia despite the inconsistencies in their shell structure.
    In addition, Arcellinida tended to show an important morphological conservatism, and closely related morphologies can possibly hide important genetic distances. We also demonstrated that fast morphological evolution could also be possible in this group. Difflugia tuberspinifera, an Asian endemic species had two morphotypes (spiny and spineless) which shared highly similar SSU rRNA gene sequences (99.8%) and identical introns and insertions, but could be nevertheless discriminated on the base of their sequences. This result suggested a recent morphological evolution, presumably due to some differing ecological factors that still need to be clarified.
    We determined also the phylogenetic position of two well known incertae sedis genera of family Amphitremida, Amphitrema and Archerella (chapter 3), which appeared surprisingly to be related to Labyrinthulomycetes (Stramenopiles), thus forming a new clade of testate amoebae independent from others (i.e Amoebozoa, Rhizaria). This study also illustrated that accurate taxonomy and phylogeny of protists in general is of crucial important for understanding the evolution and diversity of eukaryotes.
    Testate amoebae have been also often found in association with some photosynthetic organisms whose identity remained unknown. We identified the symbionts of four different testate amoeba species using the chloroplastic gene rbcL (ribulose-1, 5-diphosphate carboxylase/oxygenase large subunit) as a barcoding gene. The majority of testate amoeba symbionts formed a consistent group with very few sequence diversity that could be reasonably associated to a single species, in spite of the fact that host species were taxonomically distantly related. Interestingly, testate amoebae Chlorella symbionts were very closely related to Chlorella variabilis and to Paramecium bursaria Chlorella symbionts. In the light of these results, we proposed a general evolutionary scenario for association between heterotrophic hosts and their photosynthetic symbionts.
    Overall, my thesis illustrated that the reliable phylogeny of testate amoebae based on molecular and morphological approaches is not only essential prerequisite for understanding their evolution, but it also will contribute in resolving debates concerning their diversity and biogeography, and in general will increase their utility as a model group of organisms for applied ecological research.